干货 | 碳点应用领域的详细介绍

碳量子点又称碳点或者碳纳米点，是一种碳基零维材料，由分散的类球状碳颗粒组成，尺寸极小（在10nm 以下），具有荧光性质。由于其具有优秀的光学性质、良好的水溶性、低毒性、环境友好、原料来源广、成本低、生物相容性好等诸多优点，近年来引起了越来越多的关注。

01

制备方法

在过去的十余年间，各国的科学家已经开发出了各种不同合成碳量子点的方法，根据碳源的不同，这些方法可以大致地分为“自上而下”( Top- down) 合成法和“自下而上”( Bottom- up) 合成法。

“自上而下”合成法是指将大尺寸的碳源通过物理或者化学的方法剥离出尺寸很小的碳量子点。利用“自上而下”合成法合成碳量子点的碳源一般为碳纳米管、碳纤维、石墨讯聚合平台！棒、碳灰和活性炭等，通过电弧放电、激光销蚀、电化学合成等手段将这些富碳物质进行分解并最终形成碳量子点。

“自下而上”合成法与“自上而下”合成法相反，利用分子或者离子状态等尺寸很小的碳材料合成出碳量子点。用“自下而上”法合成碳量子点，多采用有机小分子或低聚物作为碳源，常用的有柠檬酸、葡萄糖、聚乙二醇、尿素、离子液体等。常见的“自下而上”合成方法有化学氧化法、燃烧法、水热/溶剂热法、微波合成法、模板法等。

02

应用领域

传感器

传感器是碳点最有前景的应用领域之一。基于碳点的荧光特性和丰富的表面官能团目前已经开发了各种各样的生物/化学传感器，例如对Hg2+，葡萄糖和DNA的检测。迄今为止，CD由于其低毒性，水溶性，高光稳定性和优异的化学稳定性而广泛用于生物/化学传感器。

离子传感器

碳点在化学传感器中的第一个应用就是对水溶液中Hg2+的检测，其他离子检测还包括Cu2+，Fe3+，Pb2+，Ag+和Cr（ VI），离子检测原理基本类似，都是基于上述金属离子的荧光猝灭。

（A）不同Hg2+浓度下F-CNPs的发射光谱。(B) 435nm处F-CNPs荧光强度与Hg2+浓度的比值图(在pH 7.0、10mm磷酸钠缓冲液中测试; I0和I分别对应Hg2+存在和不存在时F-CNPs在435nm处的荧光强度;激发波长为340纳米)。插图显示了曲线的线性区域。（来源：J. Xu, Y. Zhou, G. Cheng, M. Dong, S. Liu and C. Huang, Luminescence, 2015, 30, 411–415.版权所有:Wiley-VCH）

葡萄糖传感器

对碳点在生物传感器中的应用主要是检测生物活性物质比如葡萄糖。比色法中葡萄糖的检出限分别为0.18和1.6μM，有相关研究表明利用碳点对葡萄糖的检出限为0.03 nM（X. Chang, H. Xin, C. Shuai, C. Xu-Wei and W. Jian-Hua, Chin. J. Anal. Chem., 2016, 44, 41–48.）。

DNA传感器

已有相关研究开发出了用于核酸检测的碳点传感器。

电化学传感器

最近，碳点的电化学性质引起了研究人员的极大兴趣，并且已有相关研究结果证明了基于碳点的电化学生物传感器的巨大潜力。由于其生物相容性，CD还可以在电化学生物传感器中用作新型纳米载体。

生物成像

尽管对诸如CdSe和其他相关核-壳纳米颗粒的半导体量子点（QDs）已经有大量研究，但是由于重金属的存在，严重的健康问题和环境问题限制了它们的生物应用。具有优异光稳定性和低细胞毒性的碳点已经在光学成像应用中被广泛研究作为QDs的替代物。体外和体内评估均表明，由于其可见的激发和发射波长以及单个点水平的高亮度，碳点在生物成像中具有应用潜力。

发光二极管

碳点LEDs的电致发光

近年来，电致发光二极管的发展一直是学术界研究的热点。胶体半导体量子点(QDs)，如CdSe、CdTe和PbTe，已成为主要的候选材料。然而，它们对人类和环境的严重毒性和有害影响仍然是使用基于Cd2+/ Pb2+的量子点作为未来发光二极管的关键障碍。不断发展的量子尺寸(<10 nm)碳点因其可调谐的稳定荧光发射、较低的成本和显著的环境兼容性，成为电致发光LED中Cd2+/Pb2+基半导体量子点的理想替代品。因此，人们不断地努力改进碳点的性能，以使其在电致发光led中具有广泛的应用前景。到目前为止，经过一系列的相关研究已经可以从概念上证明碳点能够实现白色和多色的光发射。

碳点LEDs的光致发光

碳点另一个突出的一个特点，也是发现和应用碳量子点最初需要的性质就是它具有光致发光的特性，通俗来说，具有良好水溶性的碳量子点在光照下，其自身会发出明亮的荧光，而且，它的光学稳定性很好。由于其独特的荧光特性和低毒特性，荧光碳点作为白光LED的新型荧光粉正受到广泛的关注。基于光致发光碳点的LED通常包括紫外线（UV）或蓝色芯片和荧光碳点。用作荧光粉的碳点是由WLEDs芯片电致发光产生的强UV或蓝光激发的。

催化

用于光催化

在光催化领域，碳点可以有效地取代半导体量子点和分子染料。碳点除了具有成本低、毒性低等优点外，还具有良好的光稳定性和水溶性。虽然碳点具有这些显著的性质，但是与半导体和另一种光敏剂(如TiO2、Ag3PO4、CdS、ZnO和Fe2O3)的耦合作用相比，光催化领域对有机污染物和有害气体降解的研究还比较有限。除了环境修复作用外，碳点的电子存储性能还可以显著增强有机光敏剂与铂纳米粒子之间的电子转移，从而提高光催化H2活性，而不是作为光吸收剂，因此，可以说碳点是一种用于环境科学和能量转换领域的多功能纳米材料。

用于金属催化

作为太阳能燃料生产的唯一光敏剂，碳点的第一个研究是将CO2光还原为甲酸，其中PEG钝化的碳点通过与贵金属(如Au或Pt)沉积进行修饰。制备CDs的方法是先用硝酸氧化碳粉，然后用聚(乙二醇)二胺对表面进行改性，并通过光催化金属盐前躯体涂覆贵金属。用CO2对镀有Au和Pt的碳点进行纯化，CO2转化反应生成甲酸，其量子产率为0.3%。最近的一项研究，合成了在氨溶液中来源于酵母的CD，并且在与Pt结合后，改性的CD在紫外线照射下在TEOA溶液中产生了相当数量的H2（31mmol g-1h-1）（P. Yang, J. Zhao, J. Wang, H. Cui, L. Li and Z. Zhu, ChemPhysChem, 2015, 16, 3058–3063.）。

用于合成分子催化

近年来，利用合成的分子三维过渡金属质子还原催化剂将碳点集成到用于太阳能燃料生成的混合系统中。这些催化剂作为贵金属的低成本替代品受到了广泛的关注，具有产品选择性和对CO、O2等抑制剂的耐受性。

03

总结

在碳质纳米材料中，碳点具有优异的导热性、机械性能和光学性质以及低成本、高荧光量子产率、稳定性及生物相容性良好等诸多优点，因此，碳点具有多样化的应用前景。例如，它们可以用作不同离子，DNA和其他材料的灵敏检测器。受其优异的光学性能的启发，它们可以应用于LED，其低毒性促进了其在生物成像，光热疗法和其他相关生化领域的发展。尽管到目前为止碳点的相关研究已经取得了重大成就，但仍有许多挑战需要解决。一方面，虽然许多研究者已经报道了高QY和蓝色CDs，但近红外发射的CDs仍然处于低QY区域，阻碍了它们在生物应用方面的深入研究。另一方面，更先进的表征工具对于加强基础PL机制具有及时的意义，这需要材料工程、化学工程、化学、物理、生物学、生物医学工程、计算工程等各方面、各学科的共同努力。展望未来，预计实验结果和理论模拟的结合对于填补碳点的性质的实验和理论之间的差距势在必行，这将在多功能应用中带来重大突破。

参考文献：Quan Xu, Weijun Li,a Lan Ding,a Wenjing Yang,a Haihua Xiaob and

Wee-Jun Ong，Function-driven engineering of 1D carbon nanotubes and 0D carbon dots: mechanism, properties and applications

DOI: 10.1039/c8nr08738e

---